整体叶盘是新一代航空发动机风扇、高压压气机的关键零件,其多轴数控加工技术直接影响整体叶盘的加工质量和生产周期,是制约我国航空武器研制的瓶颈。整体叶盘通道开敞性差,叶片相互遮掩,属于典型的复杂多约束零件,其多轴数控加工中涉及的几何学和运动学问题求解困难。本文针对整体叶盘多轴数控加工中的可加工性分析、刀轴可摆动区间计算、插铣粗加工过程规划、精加工刀轴矢量平稳性规划等关键技术开展研究。论文的主要研究内容和取得的主要创新性成果如下:(1)提出了整体叶盘数控加工的可加工性分析方法。针对整体叶盘的典型结构,提取了整体叶盘的加工特征,并对叶片特征进行了曲面参数化重建。通过对不同直径的加工刀具与整体叶盘的加工特征进行干涉判断,计算了整体叶盘通道多轴加工时的无干涉最大刀具直径。以刀柄与整体叶盘无干涉为条件,计算了在给定刀轴方向下的无干涉刀具长度,并最终得到了整体叶盘通道加工时的全局最短刀具长度。使用最大刀具尺寸和刀具长径比约束,按粗略判断、可达性计算和详细评价三个阶段,评价了整体叶盘通道的可加工性。通过综合考虑刀具的几何约束与刚性约束、刀轴可摆动区间、刀轴平稳性和走刀路径完整性等要求,提出了面向实际加工的整体叶盘通道加工刀具尺寸计算和加工区域划分方法。(2)求解了整体叶盘通道多轴加工刀轴可摆动区间。针对整体叶盘通道多轴加工的无干涉刀轴矢量计算问题,提出了无需干涉判断的临界刀轴计算方法,给出了临界刀轴的轮廓线起点和中间临界点搜索算法。通过对刀轴临界点进行排序和重组,得到了单一检查曲面约束下的无干涉刀轴,并进一步通过不同区间的合并得到了通道复杂约束下的刀轴可摆动区间。该算法可以高效、准确地求解整体叶盘通道多轴加工时的刀轴可摆动区间。针对整体叶盘加工机床的具体结构,建立了刀位轨迹和机床各轴运动的双向映射关系,在此基础上将刀轴可摆动区间在机床运动轴上解耦,并以机床旋转轴的行程限制作为约束条件,建立了解耦后的刀轴可摆动区间。(3)建立了整体叶盘通道多轴插铣加工过程优化模型。针对整体叶盘多轴插铣边界刀位轨迹优化问题,通过计算刀具在给定摆动角度下的空间位置和叶片上残留材料的体积,建立并求解了基于叶片残留材料模型的边界刀位优化算法。针对整体叶盘多轴插铣通道内部刀位轨迹优化问题,以刀具重叠率和轮毂曲面上残留材料高度为约束条件,建立了刀位总路径最短的插铣刀位优化模型,从而提高了整体叶盘插铣粗加工的效率。针对多轴插铣时材料去除量不均匀的问题,基于插铣刀位被去除材料的截面数学模型,建立了多轴插铣的力学模型,并分别使用侧向力、轴向力、扭矩优化了多轴插铣的进给速度。结果表明,该算法不仅可以提高整体叶盘多轴插铣加工效率,还可以改善加工过程中的切削载荷稳定性。(4)提出了整体叶盘多轴精加工刀轴优化和刀具系统刚度优化方法。针对整体叶盘多轴精加工刀轴优化问题,建立了数控加工机床的运动学约束模型,提出了多轴加工刀轴平稳性模型的建立原则。以五轴数控机床旋转轴的运动速度曲线的总体应变能为评价标准,建立了整体叶盘多轴加工时的刀轴平稳性模型,并提出了可以同时处理机床运动学约束、刀轴可摆动区间约束及机床奇异问题的模型求解方法。对于优化后的整体叶盘多轴加工刀位轨迹,通过计算通道无干涉加工时的刀具最大可容空间,并考虑刀柄伸入通道内部的方式,建立了无干涉条件下的刀柄选择方法和此时的最短刀具长度计算方法。在刀具长度减小的同时,通过设计双锥度刀具的结构增加刀具直径,从而有效提高了整体叶盘多轴精加工刀具系统的整体刚度。